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华北干旱灾害分布与原因分析

陈正宏，杨桂芳

中国气象局培训中心，北京 100081

中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083

摘要：本文探讨了中国历史气象灾害的特点以及与此相关的自然、人为因素的变化，并特别关注了发生频率非常高，影响华北社会经济发展的气象干旱灾害。由于对此区域干旱认知意识的提高，本投稿的目的就在于通过参考气象文献，评估气候、地质、人类因素的内在联系，提供一个华北地区气象干旱情况的全面概述。我们突出研究了具有较为明确30年和100年循环周期的气象干旱的地域性，研究明确表明山西和山东正成为遭受极端干旱的主要地区。气象干旱灾害在这一地区的的时空分布被认为是气候、地形、水文功能和人为因素的共同作用结果。鉴于干旱的广泛分布以及其与地质灾害、朝代更替的紧密联系，气象干旱灾害成为威胁社会经济长期协调发展的关键问题之一。本研究将优先安排抗旱减灾措施，确保华北区域可持续发展。

关键词：气象干旱，华北，时空分布，聚类分析，季风震荡，人为影响

1 引言

历史上，中国一直以其频发的严重气象灾害而为人所知，这些灾害甚至一定程度上成为了国家社会经济发展的阻碍( Liet al. 2000; Zhang et al. 2002; Guo and Li 2005; Su et al. 2011)。自20世纪中期以来，在全球变暖大背景下中国大部分地区都面临着愈发严峻的气象灾害，对地方和区域经济发展产生了巨大的影响。因此，作为饱受气象灾害侵袭的国家，中国长期受到地质学家和气象学家的关注。

无论是在气象灾害预测还是气象灾害物理机制的研究过程中，关于气象灾害的知识都十分重要(Li et al. 2000; Abaurra and Cebriaacute;n 2002; Vasiliades and Loukas 2009)。在过去的几十年中，区域性阵发性的气象灾害席卷全国大部分地区，造成严重的经济损失同时影响可持续发展。比如说，自上世纪九十年代以来气候异常导致的大量气象灾害，包括严重干旱、洪涝每年造成的经济损失高达一万亿元人民币(Huang et al. 1996; Chen and Gao 2010)。1991年淮河流域、长江中下游的洪涝灾害，华南、河套平原的旱灾就造成了1200亿元人民币的经济损失。1997年，受厄尔尼诺影响经济损失高达1975亿元，1998年夏季长江流域、嫩江流域以及松花江的洪涝灾害造成经济损失2600亿人民币(Qin et al. 2005; Chen and Gao 2010; Ge 2011)。如果气象灾害（以干旱和强降水为主）造成的损失占国民生产总值的3至6%，那么这一年可以称得上是正常的(Ye and Huang 1990; Zhang and Liu 1993; Ma and Fu 2003; Ding 2008; Chen and Gao 2010)。因此，对气象灾害风险的评估和分析对减少灾害风险来说至关重要。

干旱，作为全球破坏力最大的自然灾害每年造成全球60-80亿美元的经济损失，受灾人口远超其他自然灾害(Ye and Huang 1990; Wilhite 2000;Vasiliades and Loukas2009)。考虑到干旱的严重后果极其无所不在的分布性，研究干旱及其潜在的影响因素如地貌、地质及人类活动显得非常重要。作为从1470年到现在全球观测资料的一部分，关于中国干旱的研究报告广泛分散于全国气象研究文献中(referring to Ye and Huang 1990; Huang et al. 1996;Li et al. 2000; Zhang et al. 2003; Fang et al. 2005; Ge 2011)。过去大部分的研究主要侧重于特定的干旱个例，对于干旱在不同时间尺度上的复发、分布以及可能的原因却少有人研究(Li et al. 2000; Fang et al. 2005)。

我们通常把干旱定义为三种类型(Dracup et al. 1980)。气象干旱是长期降水亏欠的结果。另一种类型的干旱是水文干旱，表现为地下水水位极低，河流流量减少。第三类是农业干旱，可能绝大多数人听到极端高温都会联想到这类干旱。这类干旱是由降水不足，干燥期延长导致植物根区土壤水分不足所形成。由于在华北地区气象干旱表现性明显且观测资料丰富，本次研究回顾了先前零散的报告分析加以整理，首次描绘了该地区气象干旱的脆弱性特征。我们使用了包括聚簇分析法在内的数理统计方法来表现该区域气象干旱的时空特征。在此基础上，我们评估讨论了这一地区自然和人为限制在产生气象干旱差异过程中的相对重要性。最终，我们结合地质、地理信息尝试着对华北地区气象干旱灾害进行了系统性的分类并对形成原因加以解释。

2 研究区域和方法

研究区域华北地区主要指北纬32°至53°，东经100°至126°的区域。包括了北京、天津两个自治区以及河北省、山东省、山西省、内蒙古自治区（图1）。我们还把河南、辽宁的部分地区作为对比区域加入其中。

图1 显示研究区域的华北地理位置图；插图是发生在1640年的干旱灾害的强度。

这些区域年平均降水量约600mm并从东南地区向西北递减。在河北、山西、北京、天津以及河南北部地区，年降水量在500-750mm左右。与此相比，位于西北内陆地区的内蒙古西部每年降水量不足100-200mm。年平均温度也呈现出相似的趋势，即从东南地区的年平均13-15℃向西北地区递减。

如图1所示，共有29个城市被选入本次研究。为了满足本研究的主要目标，我们从各种参考文献和报告中收集了1470年到2000年每年的干旱灾害。(Academy of Meteorological Sciences, Central Meteorological Bureau 1981; Geng 1985; Zhang and Liu 1993; Zhang and Xue 1994; Zhang et al. 2003; Qin et al. 2005; Ge 2011)。我们还囊括了最近几十年所有已出版的文献资料(e.g., Wang 1990, 1992; Ye and Huang 1990; Su 1999; Xu and Wu 1999; Luo and Hao 201

1; Shao et al. 2001; Xu et al. 2001; Li et al. 2003; Ma and Fu 2003, 2007; Fang et al.2005;Guo and Li 2005; Qin et al. 2005; Lu et al. 2009; Zhou et al. 2010)。所有可获得的地质灾害的年度资料，比如说强地震（通常Msge;6），都包含在本次研究中(Geng 1985; Xie and Cai 1988; Diao and Chao 2009)。聚类分析软件R-2.12.1被使用来定量确定合并气象干旱脆弱性水平后的风险。使用这种方法，缓解环境脆弱性的同时减轻资源保护与人类活动管理压力的对策得以被提出。

3 华北干旱的时空多样性

3.1华北干旱的主要特征

鉴于其敏感的地质环境、多变的地形、独特的气候、水文模式以及日益增加的人为影响，华北地区极易受那些已经对水资源、农业生产以及地质环境产生消极影响的气象灾害袭击。这些问题已经成为当地居民的心病，并对区域可持续发展形成严峻的挑战(Qin et al. 2005; Ge 2011)。

过去一个世纪，华北大部分地区都经历了严重的气象干旱（图1），并且针对各地区的脆弱性不同，影响各有不同。华北地区具有是广阔、复杂的地形和季风气候多样的特点,局部或区域性干旱几乎每年都会发生(Geng 1985; Ye and Huang 1990; Huang et al. 1996)。在许多区域，尤其是华北平原的河北南部、山西北部、山东西部以及河南北部经常遭受春旱和秋旱的侵袭(China Meteorological Administration 2010; 图1)。水资源短缺、农业生产以及与此相关的生态环境退化问题已经成为该地区主要的新兴问题。华北地区的干旱通常具有发生频率高、持续时间长、波及范围广的特点。在一些地方干旱能持续整个春季或延伸至夏季，有时甚至到秋季。许多干旱常与持续性低温同时发生，导致更多更加严重的干旱发生。

在研究区域内气象干旱的时间变化显然是以世纪为周期循环的，在15世纪、17世纪、19世纪表现出相对严重的特征。这三个干旱时段影响范围较广，相当值得注意（图2）。16世纪、18世纪频率较低的干旱因其较严重，同样能够表现世纪尺度的气候周期的特点（如图3所示）。在十年尺度上，华北地区干旱的振幅则明显表现出大约20-30年的周期性（图2）。图中代表发生在1640年、1880年和1965年后半年的严重干旱/极端干旱处显示出最清晰的震荡。

3.2 不同地方干旱的分组

聚类分析法是被设计用来在现实世界的设置中批量寻找相似目标，并被广泛应用的一项技术(Kaufman and Rousseeuw 1990; Huth et al. 2008)。图4显示了使用聚类分析法得出的华

年

图2 极端干旱的时间序列(a)，过去500年华北地区的干旱和极端干旱事件

北29个城市总的干旱时空分布格局。总的来说，干旱越严重，替代城市的重要性就越高。因此每个地方因等级不同可编入不同值的分组并使用黄色至黑色不同的色调表示（如图4所示）。在图4中，没有干旱或干旱很少发生的地区分配到VL（非常低）组；典型具有温和的或极端干旱的城市分别显示为F（一般）和VH（非常高）。中国北部吉林、内蒙古的大约30%的城市包括呼和浩特、多伦、赤峰、陕坝、百灵庙、锡林浩特、沈阳、丹东以及大连对于气象干旱具有较低的受损风险。这些地区多样性的生态环境面临低至中等级别的风险。相比于此，山西的长治、太原、林峰、大同，河北唐山，山东临沂、德州、济南，以及北京对于气象干旱都具有较高的敏感性和易受损级别（图4）。

(b)

持续时间

图3 华北地区气象干旱的50年平均强度

4 讨论

4.1 干旱空间差异的原因

之前已有研究(Ren et al. 2000; Qin et al. 2005; Ge 2011)表明了中国多样的气候类型在决定频发的极端天气事件中的重要性。华北地区区域性的年平均降水量是600mm左右并且从东南地区向西北地区递减。山东省东南沿海地区具有温带季风气候，年降水量相对较高，约650-750mm。北京、河北、山西的年降水量大约分别为630、540、520mm(Shao et al. 2001; 图 5)。在内蒙古东部和辽宁大部地区，年降水量约300-400和400-500mm；相比较起来，西北内陆地区的降水量只有100-200mm。

尽管许多选取的城市都位于年降水量大于400mm的区域内，但显而易见的是华北地区的气候变化总体而言还是在产生多种干旱灾害的过程中扮演了重要的角色（图4,5）。温度、降水量的变化决定了水汽含量、传递速度以及沉降过程，并因此导致大气环流的异常以及多样的干旱发展的模式。华北地区是一个主要受降水量少而不均，降水变化不均以及水资源短缺主导影响的区域。

图4 华北地区人口聚居地气象干旱灾害聚类分析结果

先前的研究还表明，华北地区北部和西部的山脉对水汽、热量、能量的传输以及降水量的变化具有重要影响(Ye and Huang 1990; Liao et al. 2007; Ge 2011;图5)。在吕梁山脉东部，阴山-燕山南部，相比于位处背风坡的那些城市，处于迎风坡的城市更容易形成较强的降水，因而成为山区的降水中心。但这样的降水主要还是集中于洪汛期，在早春季节，由于降水量的迅速减少以及相对较高的蒸发，这些地区还是受干旱灾害所主导。在内蒙古西部和北部，阴山和大兴安岭背风坡位置（图5），由于地势低平风速较大，蒸发极高，那里的年降水量相对较低。但是，过去几个世纪越来越活跃的人类活动比如修建水库、升级灌溉系统、改善生态环境都极大提高了这些地区的植被覆盖率，因而大大缓和了部分地区反复的极端干旱。

图5 华北地区干旱的百年际变化，降水空间差异以及山脉构造对干旱的约束作用

4.2 与人类活动相匹配的地质灾害的时间特性

华北地区干旱的百年尺度变化已有30-100年的震荡所证明。图中表示以百年为周期连续的三个干旱数量的高值区清晰得显示出震荡的存在（图6a，b；表1）。考虑的数据集的年际变化，迅速而突出的干旱化过程发生于15、17、19世纪。图6a，b所示干旱灾害分布的结果同样显示出气候变化速率的变化，描绘出明显的干冷/湿暖百年际震荡。我们认为，温度较低的干旱事件可以记录为全国性气候事件的一部分。类似的气候信号远离中国中部可能意味着东亚冬季季风强度的变化，而正是东亚季风控制着该地区水汽的传输速度和降水过程。

在图6中，我们对比了我们掌握的数据集中华北地区干旱的记录和华北地区以及整个中国的平均温度记录(Fig. 6d, e; Wang 1990; Ge 2011)。为处理此项棘手工作，华北地区其他地震的记录都被补充进来以证实本项研究的结果。显然，过去500年中国华北地区的干旱与先。

图6 与大型地震(a)、战争(c)、华北地区气候变化(d)、整个中国的气候变迁及社会变更(e)相关的气象干旱/极端干旱(a,b)

表1 华北地区过去几个世纪的干旱灾害

前研究的季风气候在时间上具有相似的模式，仅在相位上具有些许的不同(Wang 1990,1992; Qin et al. 2005; Ge 2011)。15、17、19世纪三次冬季季风的异常增强事件与中国古气候的变化十分相似。当冬季季风增强时，干旱的发生频

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